成果简介

微生物燃料电池（MFCs）凭借其将有机物直接转化为电能的优势，在废水资源化与分布式产能领域潜力巨大。然而，微生物—电极界面的胞外电子传递（EET）效率仍是性能瓶颈，电极材料的导电性与生物相容性如何协同调控、进而提升 EET 效率，尚缺乏系统认识。因此，设计兼顾高导电与高生物相容的电极材料，对高性能 MFC 具有重要意义。基于此，本文，江南大学Shengli Zhai联合悉尼大学 Li Wei、Fei Liu 团队在《Advanced Energy and Sustainability Research》期刊发表名为"Engineering Hierarchical Graphene Hydrogels for Microbial Fuel Cells"的论文，研究提出了一种通过水热合成条件调控分级石墨烯水凝胶（GHs）导电性与生物相容性的策略。该石墨烯水凝胶通过调控氧化石墨烯（GO）水热还原的温度与时间制备，形成互连的三维网络结构，并作为 MFC 生物阳极使用。

此外，研究发现不同水热条件下制备的 GHs 其导电性与生物相容性呈相反的变化趋势，二者之间的权衡（trade-off）协同决定了微生物附着、界面电子传递与最终的 MFC 性能。经系统表征与电化学测试，最优合成温度 180 °C 制备的 GHs 在导电性与生物相容性之间取得平衡，使 MFC 最大功率密度达到 137.67 W m?3。同时，该分级水凝胶还具备利于微生物附着的多孔三维架构与连续电子通路，使其适用于废水资源化等生物电化学应用。本研究提出了一种基于水热合成调控的 GH 生物阳极设计策略，该策略揭示了材料导电性与生物相容性的权衡关系，显著提升了 EET 效率，并为生物电化学系统用材料的设计与优化提供了新的思路。

图文导读

图1、Structural characterization of GO and GHs samples. (a) Density and photos (inset) of different GHs samples. (b) XRD patterns. (c) N2 physisorption isotherms. (d) Micro- to meso-pore size distribution determined by NLDFT method, and (e) macropore distribution determined by Hg intrusion. (f) SEM images of different samples. (g) Raman spectra and (h) calculated Raman ID/IG ratio and XPS C/O atomic ratio of different samples.

图2、Schematic illustration of the GH-based MFC and surface physicochemical properties of different GHs. (a) XPS survey scan of different samples, (b) XPS C/O atomic ratios, (c) electrical conductivity, and (d) water contact angles of different GHs.

图3、(a) The S. decolorationis S12 copies in culture mediums with different GHs determined by qPCR. (b) 100?mg?L–1 MO, (c) 80?mg?L–1 MR, and (d) 120?mg?L–1AM dye degradation performance of S. decolorationis S12 with different GHs. Data are presented as mean?±?SD (n?=?3 independent biological replicates). Statistical significance was assessed using two-way repeated-measures ANOVA followed by Tukey’s multiple-comparison test. p?<?0.05 was considered statistically significant (Table S1).

图4、MFC performance of different GH anodes. (a) Schematic illustration of the MFC power-generation mechanism, (b) polarization curves and corresponding volumetric power densities, (c) output voltage during 600?h operation, and (d) EIS Nyquist plots of the five GH anodes.

图5、SEM images collected at the surface of S. decolorationis S12 colonized on (a,f) GH-2, (b,g) GH-3, (c,h) GH-4, (d,i) GH-5, and (e,j) GH-6 electrodes.

图6、CLSM image of S. decolorationis S12 biofilms on five GHs materials. (a) Vertical sections and surface images of (b) GH-2, (c) GH-3, (d) GH-4, (e) GH-5, and (f) GH-6 electrodes.

小结

本研究采用了一种基于水热合成条件调控的策略，基于导电性与生物相容性权衡调控 EET 效率的机理。最终，制备出分级石墨烯水凝胶（GH）生物阳极。研究结果表明，最优合成温度 180 °C 的 GHs 在导电性与生物相容性之间取得平衡，使微生物燃料电池最大功率密度达到 137.67 W m?3。同时，分级多孔三维架构有利于微生物附着与界面电子传递。该材料表现出良好的生物电化学性能。因此，本研究有望为生物电化学系统电极材料的设计与优化提供新的见解。此外，其简单、可调控的一步水热制备路线拓展了在废水资源化与分布式生物产能中的应用前景。

文献：

https://doi.org/10.1002/aesr.70282

信息来源：材料分析与应用1

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日 中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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